Атомная%20и%20ядерная%20физика / 5.8 Определение постоянной Планка при помощи фотоэффекта

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА ПРИ ПОМОЩИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

LEP 5.1.05 - 01

Цель работы.

Определение величины постоянной Планка по измерению фотоэлектрического напряжения для различных длин волн падающего излучения.

Оборудование.

Фотоэлемент в кожухе 06778.00

Светофильтр, 580 нм 08415.00

Светофильтр, 525 нм, 08414.00

Дифракционная решетка, 600 шт. /мм 08546.00

Держатель диафрагмы, 2 шт. 11604.09

Щель 08049.00

Держатель линзы, 2 шт. 08012.00

Линза, ф. +100 мм 08021.01

Ртутная лампа, 100 Вт 08147.00

Экранированный кабель, l = 30 см 07542.10

Соединительный провод, красный,

l = 25 см 07360.01

Соединительный провод, синий,

l=25 см 07360.04

Держатель лампы 06176.00

Источник питания для ламп 13662.97

Установочная подставка,

16  21 см 13002.00

Универсальный измерительный

усилитель 13626.93

Цифровой мультиметр 07134.00

Оптическая скамья, 60 см, 2 шт. 08283.00

Опора для скамьи, 3 шт. 08284.00

Поворотное устройство для скамьи 08285.00

Опора высотой 80 мм 08286.02

Темы для изучения.

Внешний фотоэлектрический эффект, работа выхода, поглощение, энергия фотона, анод, катод.

Краткая теория.

Если в результате поглощения падающего на катод фотона частоты электрон получает достаточную энергию, то он может вырваться из металла (внешний фотоэффект).

Некоторые из вырвавшихся электронов достигают анода, так что между анодом и катодом возникает разность потенциалов, которая принимает максимальное значение U спустя короткий промежуток времени (время зарядки). Электроны могут двигаться против возникшего электрического поля с напряжением U только в том случае, если они обладают максимальной кинетической энергией, которая определяется частотой падающего света (уравнение Эйнштейна):

, (1)

где А – работа выхода с поверхности металла,  – скорость электрона, m – масса покоя электрона.

Таким образом, анода достигнут лишь электроны, энергия которых в электрическом поле равна кинетической энергии:

, (2)

где е = 1,60210^–19 Кл – заряд электрона.

Дополнительная контактная разность потенциалов  возникает из-за того, что поверхности катода и анода различны:

. (3)

Предположим, что А и не зависят от частоты, тогда получаем линейную зависимость напряжения от частоты света :

. (4)

По тангенсу угла наклона прямой (рисунок 1) получим значение постоянной Планка:

.

Табличное значение: h = 6,6210^–34 Джс.

Рис. 1. График зависимости напряжения фотоэлемента от частоты падающего света.

Выполнение работы.

Соберите установку, как показано на рисунке 2.

Высоковакуумный фотоэлемент представляет из себя ячейку, половину внутренней части которой составляет металлический катод; напротив катода расположен анод. Установите фотоячейку и ртутную лампу на противоположных концах оптической скамьи. Закрепив дифракционную решетку в специальном держателе на стойке, поместите ее на поворотный шарнир. При вращении рукава с фотоячейкой решетка должна оставаться неподвижной. Расположите щель вблизи ртутной лампы примерно на отметке 9 см, а линзу – на отметке 20 см, сфокусировав изображение щели на входном отверстии фотоячейки. Установите ширину щели такой, чтобы размер ее изображения был равен примерно 1 см. Для лучшего контроля можно использовать полоску бумаги шириной 3 см, наклеив ее с помощью прозрачной клейкой ленты на входное отверстие фотоячейки. Невидимое ультрафиолетовое излучение можно обнаружить по слабому свечению бумаги.

Поворачивая рукав оптической скамьи, направляйте на входное отверстие фотоячейки спектрально разделенный свет и через несколько секунд определяйте установившееся напряжение. Для устранения наложения ультрафиолетового излучения на спектральные линии второго порядка дифракции используйте дополнительно светофильтр, который закрепляется в специальный держатель на входном отверстии фотоячейки (светофильтр 525 нм для желтой линии и 580 нм – для красной).

Перед каждым измерением следует разряжать входной конденсатор усилителя и контролировать нулевое значение на нем при закрытой шторке на входном отверстии фотоячейки. Через 10 минут после включения усилителя он готов к работе.

На усилителе устанавливаются следующие рабочие параметры:

– электрометр: Re  10¹³ Ом

– усиление: 10⁰

– временная постоянная: 0

– вольтметр: DC/ 2 В

Рис. 2. Экспериментальная установка для определения постоянной Планка.

Laboratory Experiments  Physics  © Phywe Systeme GmbH & Co. KG  D-37070 Goettingen  P25105-01